DE69829766T2

DE69829766T2 - Rotationspumpe mit einem hydrodynamisch gelagerten Laufrad

Info

Publication number: DE69829766T2
Application number: DE69829766T
Authority: DE
Inventors: Campbell John WOODARD; Andrew Peter WATTERSON; Douglas Geoffrey TANSLEY
Original assignee: University of Technology Sydney; Ventrassist Pty Ltd
Current assignee: Thoratec LLC
Priority date: 1997-09-05
Filing date: 1998-09-07
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2018-09-08
Also published as: US20010004435A1; ATE292987T1; JP3725027B2; US6609883B2; US8002518B2; US8366381B2; EP1019116A1; US6227797B1; US20040030216A1; US20090155049A1; EP1019116B1; AUPO902797A0; US20130225910A1; CN1278188A; JP2001515765A; DE69829766D1; US20060030748A1; US7156802B2; US20120016178A1; WO1999012587A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine dichtungslose und wellenlose Pumpe mit einem Gehäuse, das darin eine Kammer begrenzt und einen Fluideinlass in die genannte Kammer und einen Fluidauslass aus der genannten Kammer aufweist, wobei die Pumpe ferner ein in der Kammer angeordnetes Laufrad aufweist, wobei die Anordnung zwischen dem Laufrad, dem Einlass und dem Auslass und den Innenwänden der Kammer derart gestaltet ist, dass bei Drehung des Laufrades um eine Laufradachse relativ zu dem Gehäuse Fluid von dem Einlass durch die Kammer zu dem Auslass gedrängt wird.
Eine Pumpe dieser Art ist in der WO 96/31934 offenbart. Bei dieser bekannten Pumpe wird ein Rotor von einem elektromagnetischen Lager getragen. Elektromagnetische Lager bieten eine kontaktlose Aufhängung, erfordern jedoch Maßnahmen zur Positionierung des Rotors und eine aktive Regelung der elektrischen Spannung für die Stabilisierung der Position in wenigstens einer Richtung. Positionierungsmessung und Rückkontrolle führen zu einer bedeutenden Komplexität, welche das Fehlerrisiko steigert. Stromverbrauch durch die Steuerspannung führt zu verringerter Gesamteffizienz. Außerdem sind Größe, Massenkomponentenzahl und Kosten alle erhöht. In der WO 96/31934 ist angegeben, dass ein Freiheitsgrad des Rotors, welcher nicht aktiv stabilisiert wird, durch hydrodynamische Kräfte stabilisiert werden kann. Dies wird jedoch nicht weiter ausgeführt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Pumpe vorzuschlagen, welche zur Verwendung als Blutpumpe sehr geeignet ist.
Die Aufgabe wird mit einer Pumpe gemäß Anspruch 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen der Pumpe gemäß der Erfindung werden in den Unteransprüchen beansprucht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine Längsschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine Querschnittsansicht, im Wesentlichen entlang der Linie Z-Z von 1.
3A zeigt eine Querschnittsansicht einer Laufradschaufel, im Wesentlichen entlang der Linie A-A von 2.
3B ist eine Vergrößerung des Abschnitts Schaufel-Pumpengehäuse von 3A.
3C zeigt eine alternative Laufradschaufelform.
4A, 4B, 4C zeigen verschiedene mögliche Anordnungen eines Magnetmaterials innerhalb einer Schaufel.
5 ist eine Ansicht von der linken Seite einer möglichen Windungsgeometrie, im Wesentlichen gesehen entlang der Linie S-S von 1.
6 zeigt eine diagrammartige Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung als Axialpumpe.
7 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Zentrifugalpumpenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht des Laufrades der Anordnung nach 7.
9 zeigt eine perspektivische abgeschnittene Darstellung des Laufrades nach 8 innerhalb der Pumpenanordnung von 7.
10 zeigt eine Seitenschnittansicht des Laufrades von 8.
11 zeigt eine detaillierte Ansicht im Querschnitt der Randabschnitte des Laufrades von 10.
12 zeigt ein Blockdiagramm einer elektronischen Antriebsschaltung für die Pumpenanordnung nach 7.
13 zeigt einen Graph Kopf vs Strömung für die Pumpenanordnung von 7.
14 zeigt einen Graph des Pumpenwirkungsgrads vs Strömung für die Pumpenanordnung nach 7.
15 zeigt einen Graph des elektrischen Energieverbrauchs vs Strömung der Pumpenanordnung von 7.
16 zeigt eine ebene Schnittansicht der Pumpenanordnung mit einer Volutenanordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
17 zeigt eine ebene Schnittansicht einer Pumpenanordnung mit einer alternativen Volutenanordnung.
18 zeigt eine ebene Ansicht eines Laufrades gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
19 zeigt eine ebene Ansicht eines Laufrades gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
20 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Laufrades gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Die Pumpenanordnungen gemäß verschiedener bevorzugter Ausführungsformen, welche im Folgenden beschrieben werden, sind alle, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich zur Implantation in einen Körper eines Säugetiers vorgesehen, um die Funkion des Säugetierherzens zu unterstützen, wenn nicht zu übernehmen. In der Praxis wird dies durch vollständiges Anordnen der Pumpenanordnung im Körper des Säugetiers und eine Verbindung der Pumpe zwischen der linken Ventrikel und der Aorta durchgeführt, um die Linksherzfunktion zu unterstützen. Sie kann auch mit dem rechten Ventrikel und der Pulmonalarterie verbunden werden, um die rechte Seite des Herzens zu unterstützen.
In diesem Fall hat die Pumpenanordnung ein Laufrad, welches vollständig innerhalb des Pumpenkörpers abgedichtet ist und somit keine Welle benötigt, die sich durch den Pumpenkörper erstreckt, um dieses zu tragen. Das Laufrad ist im Betrieb innerhalb des Pumpenkörpers durch wenigstens die Einwirkung hydrodynamischer Kräfte aufgehängt, welche in Folge der Interaktion zwischen dem rotierenden Laufrad, den inneren Pumpenwänden und dem Fluid, welches durch Veranlassung des Laufrades von einem Einlass der Pumpenanordnung zu einem Auslass hiervon gedrängt wird, ausgeübt werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Zentrifugalpumpe 1, wie gezeigt in den 1 und 2, vorgesehen zur Implantation in einen menschlichen Körper, wobei in diesem Fall das Bezugsfluid Blut ist. Das Pumpengehäuse 2 kann in zwei Teilen hergestellt werden, einem vorderen Teil 3 in Form eines Gehäusekörpers und einem hinteren Teil 4 in Form eines Gehäusedeckels, mit einer dazwischen befindlichen glatten Verbindung, z. B. an der Stelle 5 in 1. Die Pumpe 1 hat einen axialen Einlass 6 und einen tangentialen Auslass 7. Das rotierende Teil oder Laufrad 100 hat eine sehr einfache Form, es hat nur Schaufeln 8 und einen Träger 9 für die Schaufeln, um diese Schaufeln relativ zueinander fixiert zu halten. Die Schaufeln können gekrümmt, wie in 2 gezeigt ist, oder gerade sein, wobei sie in diesem Fall entweder radial oder geneigt, d. h. unter einem Winkel zu dem Radius angeordnet sein können. Dieses rotierende Teil 100 wird im Folgenden das Laufrad 100 genannt. Es dient jedoch auch als Lagerkomponente und als der Rotor einer Motorkonfiguration, welche im Folgenden beschrieben wird, wodurch durch elektromagnetische Mittel ein Drehmoment auf das Laufrad 100 aufgebracht wird. Es ist zu beachten, dass das Laufrad keine Welle hat, und dass das Fluid aus dem Bereich seiner Achse RR in das Laufrad gelangt. Ein Teil des Fluids strömt vor dem Trägerkonus 9 und ein Teil dahinter, sodass die Pumpe 1 als eine auf zwei Seiten offene Pumpe betrachtet werden kann, im Vergleich zu konventionellen offenen Zentrifugalpumpen, welche nur an der Vorderseite offen sind. Ungefähre Dimensionen, welche für die Pumpe 1 als geeignet gefunden wurden, um als Ventrikelunterstützungsvorrichtung zu dienen, wenn sie bei Geschwindigkeiten im Bereich von 2000 bis 4000 Umdrehungen pro Minute arbeitet, sind ein äußerer Schaufeldurchmesser von 40 mm, ein äußerer Gehäusedurchschnittsdurchmesser von 60 mm und eine Gehäuseaxiallänge von 40 mm.
Wenn sich die Schaufeln 8 innerhalb des Gehäuses bewegen, strömt ein Teil des Fluids durch die Zwischenräume, welche in den 1 und 3 stark übertrieben sind, zwischen den Schaufelenden 101 und der Gehäusevorderwand 10 und der Gehäuserückwand 11. Bei allen offenen Zentrifugalpumpen werden die Zwischenräume klein gestaltet, da diese Leckageströmung den hydrodynamischen Wirkungsgrad der Pumpe verringert. Bei der in diesem Ausführungsbeispiel offenbarten Pumpe sind die Zwischenräume etwas kleiner gestaltet, als dies üblich ist, damit die Leckageströmung verwendet werden kann, um ein hydrodynamisches Lager zu bilden. Damit die hydrodynamischen Kräfte ausreichen, müssen die Schaufeln auch, wie in den 3A und 3B gezeigt ist, abgeschrägt sein, sodass der Zwischenraum 104 an der Vorderkante 102 der Schaufel 8 größer ist, als an der Schaufelhinterkante 103. Das Fluid 105, welches durch den Zwischenraum strömt, erfährt somit eine keilförmige Einschnürung, welche eine Schubkraft erzeugt, wie in Reynolds' Theory of Lubrication (siehe beispielsweise "Modern Fluid Dynamics, Band 1, Incompressible Flow", von N. Curle and H. J. Davies, Van Nostrand, 1968) beschrieben ist. Die Schubkraft ist proportional zu dem Quadrat der Schaufeldicke an der Kante, und demnach werden dicke Schaufeln bevorzugt, da, wenn die Proportion der mit Schaufeln gefüllten Pumpenkavität konstant ist, dann die Nettoschubkraft umgekehrt proportional zur Anzahl der Schaufeln ist. Die Schaufelkanten können jedoch so ausgebildet werden, dass sie sich als Schwänze dünner Schaufeln erstrecken, wie in 3C gezeigt ist, um den Schaufelbereich neben den Wänden zu erhöhen.
In einer besonderen Form sind die Schwänze mit benachbarten Schaufeln verbunden, um einen kompletten Mantel mit darin integrierten Keilen oder Verjüngungen zu bilden. Beispiele einer Mantelkonstruktion sowie anderer Variationen der Schaufelstruktur werden an späterer Stelle in dieser Beschreibung beschrieben werden.
Zur Vereinfachung der Herstellung kann die Gehäusevorderwand 10 konisch ausgebildet werden, mit einem Winkel von etwa 45°, sodass sie axiale und radiale hydrodynamische Kräfte erzeugt. Andere Winkel, welche die funktionalen Erfordernisse dieser Pumpe einschließlich der Anforderungen für hydrodynamische Axial- und Radialkräfte einschließen, sind zweckmäßig.
Weitere gekrümmte Oberflächen sind möglich, vorausgesetzt, dass axiale und radiale hydrodynamische Kräfte aufgrund einer Rotation der Schaufeln relativ zu den Gehäuseoberflächen erzeugt werden können.
Die Gehäusehinterwand 11 kann eine etwas konische Ausdehnung 12 aufweisen, welche in die Pumpenkavität 106 zeigt, um die Wirkung des Strömungsstagnationspunkts an der Achse des hinteren Gehäuses zu eliminieren oder zu minimieren.
Alternativ kann eine Erstreckung 12 einem Laufradauge ähneln, um eine gemischte Strömung zu erzeugen.
Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Gehäuserückwand 11 zur Vereinfachung der Herstellung und zur Vergleichmäßigung der axialen Strömungsrichtung RR über die Lageroberflächen flach ausgebildet, d. h. unter den Schaufelkanten. Wenn dies der Fall ist, ist eine Spieltoleranz in der Ausrichtung zwischen den Achsen des vorderen Teils 3 und des hinteren Teils 4 des Gehäuses 2 erlaubt. Eine Alternative besteht darin, die hintere Fläche 11 an den Lageroberflächen konisch auszubilden, mit einer Verjüngung in entgegengesetzter Richtung auf die Vorderfläche 10 hin, sodass die hydrodynamischen Kräfte von der hinteren Fläche auch radiale Komponenten haben. Eine engere Toleranz in der Achsenausrichtung wäre dann erforderlich, und ein Teil der Strömung würde eine Umkehr in seiner Axialrichtung erfahren. Es ist wiederum eine etwas konische Erstreckung (wie 12) erforderlich. Es können bestimmte Vorteile darin bestehen, die Gehäuseoberflächen und Schaufelkanten nicht-gerade, mit variierendem Tangentialwinkel auszubilden, obwohl dies größere Komplexität bei der Herstellung mit sich bringen würde.
Es gibt verschiedene Optionen für die Form der Verjüngung, in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel jedoch variiert die Menge des entfernten Materials einfach linear oder annähernd linear über die Schaufel. Für die Hinterwand sind die resultierenden Schaufelkanten dann Ebenen mit einer geringen Ablenkung zur Hinterwand. Für die Vorderwand sind die Schaufelanfangskanten gekrümmt, und die Verjüngung entfernt nur einen relativ geringen Anteil des Materials, sodass sie noch gekrümmt erscheinen. Alternative Verjüngungsformen können eine Stufe in der Schaufelkante enthalten, obwohl die Ecke in dieser Stufe eine Stagnationslinie darstellen würde, was zu einem Tromboserisiko führen würde.
Für einen vorgegebenen minimalen Zwischenraum ist die hydrodynamische Kraft an der Schaufelhinterkante maximal, wenn der Zwischenraum an der Vorderkante etwa doppelt so groß ist, als der an der Hinterkante. Somit sollte die Verjüngung, welche gleich dem Zwischenraum an der Vorderkante minus dem Zwischenraum an der Hinterkante ist, so ausgewählt werden, dass er mit einem nominalen Minimalzwischenraum zusammenpasst, wenn sich das Laufrad zu dieser Kante verschoben hat. Dimensionen, welche, wie herausgefunden wurde, adäquate Vortriebskräfte ergeben, sind eine Verjüngung r von etwa 0,05 mm für einen nominalen Minimalzwischenraum von etwa 0,05 mm, und eine durchschnittliche Schaufelkantendicke am Umfang von etwa 5 mm für vier Schaufeln. Für die Vorderseite wird die Verjüngung der Ebene senkrecht zu der Achse gemessen. Die Axiallänge des Gehäuses zwischen der Vorder- und der Rückseite sollte dann in jeder Position etwa 0,2 mm größer gestaltet werden, als die Axiallänge der Schaufel, wenn sie mit dem Gehäuse koaxial verläuft, sodass die Minimalzwischenräume beide etwa 0,1 mm axial betragen, wenn das Laufrad 100 innerhalb des Gehäuses 2 zentral angeordnet ist. Dann messen die minimalen Zwischenräume, wenn z. B. das Laufrad axial um 0,05 mm verrutscht, 0,05 mm an einem Ende und 0,15 mm an dem anderen Ende. Die Schubkraft wächst mit abnehmendem Zwischenraum und wäre von dem 0,05 mm Zwischenraum wesentlich größer als von dem 0,15 mm Zwischenraum, etwa 14 mal größer für die oben genannten Maße. Somit gibt es eine Nettorückstellkraft weg von dem kleineren Zwischenraum.
In ähnlicher Weise würde für Radialverschiebungen des Laufrades die Radialkomponente der Schubkraft von dem schmaleren Zwischenraum auf der konischen Gehäusevorderseite die erforderliche radiale Rückstellkraft ergeben. Die axiale Komponente dieser Kraft und ihr Drehmoment auf das Laufrad müssten durch eine Axialkraft und ein Drehmoment von der Gehäusehinterwand ausgeglichen werden, und so wird das Laufrad sich auch axial verschieben und seine Achse kippen müssen, um nicht mehr länger parallel mit der Gehäuseachse zu verlaufen. Somit wird das Laufrad, wenn sich die Person bewegt und die Pumpe durch äußere Kräfte beschleunigt wird, kontinuierlich seine Position und Ausrichtung verschieben, wodurch die Zwischenräume in der Weise variieren, dass die Totalkraft und das Totaldrehmoment auf das Laufrad 100 mit der erforderlichen Massenträgheit zusammenspielt. Die Zwischenräume sind jedoch so klein, dass die Variation im hydrodynamischen Wirkungs grad gering ist, und die Pumpaktion der Schaufeln wird ungefähr die gleiche sein, wie wenn das Laufrad zentral angeordnet wäre.
Da kleinere Zwischenräume größeren hydrodynamischen Wirkungsgrad und größere Lagerschubkräfte ergeben, erfordern kleinere Zwischenräume auch engere Herstellungstoleranzen, eine Zunahme des Reibungswiderstands auf das Laufrad, und üben eine höhere Scherbeanspruchung auf das Fluid aus. Wenn diese Punkte nun für die oben genannten 0,05 mm Verjüngungen und Zwischenräume in Betracht gezogen werden, werden Toleranzen von etwa ±0,015 mm benötigt, was einige Kostensteigerung verursacht, jedoch machbar ist. Eine engere Toleranz ist schwierig, besonders wenn das Gehäuse aus einem Kunststoff hergestellt ist, unter der Annahme, dass die Dimensionsänderungen durch Temperatur und mögliche Fluidabsorption durch den Kunststoff verursacht werden. Der Reibungsverlust für die oben genannten Zwischenräume erzeugt ein wesentlich kleineres Drehmoment als das typische Motordrehmoment. Schließlich, um die Scherbelastung abzuschätzen, nehme man eine Rotationsgeschwindigkeit von 3.000 UPM und einen typischen Radius von 15 mm an, bei dem die Schaufelgeschwindigkeit bei 4,7 ms^–1 liegt und der durchschnittliche Geschwindigkeitsschub für einen durchschnittlichen Zwischenraum von 0,075 mm 6,2 × 10⁴ s^–1 beträgt. Für Blut mit einer dynamischen Viskosität in Höhe von 3,5 × 10^–3 kgm^–1s^–1 beträgt die durchschnittliche Schubspannung 220 Nm^–2. Andere Prototypen von Zentrifugalblutpumpen mit geschlossenen Schaufeln haben ergeben, dass etwas größere Zwischenräume, z. B. 0,15 mm für die Hämolyse geeignet sind. Ein größerer Vorteil der offenen Schaufeln der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Fluidelement, welches durch einen Schaufelkantenzwischenraum hindurchgeht, in dem Zwischenraum eine sehr kurze Verweilzeit, etwa 2 × 10^–3 s, hat, und dass das Fluidelement höchstwahrscheinlich durch die Pumpe ohne das Passieren einer weiteren Schaufelkante hindurch geschwemmt wird.
Um die Nettokraft zu minimieren, welche für die hydrodynamischen Lager erforderlich ist, sollten die von der Massenfluidströmung ausgehenden axialen und radialen hydrodynamischen Kräfte auf das Laufrad minimiert werden, wobei mit "Massenfluidströmung" hier die nicht von den Lagerschubflächen ausgehende Strömung gemeint ist.
Ein Verfahren zum Minimieren der hydrodynamischen Massenradialkraft besteht darin, gerade Radialschaufeln einzusetzen, sodass ein auf die Schaufelseiten wirkender Druck virtuell keine radiale Komponente hat. Die Radialkraft auf das Laufrad hängt stark von der Form des Ausgangsströmungskollektors oder der Volute 13 ab. Die Form sollte so konstruiert sein, dass sie die Laufradradialkraft über den gewünschten Bereich der Pumpengeschwindig keit minimiert, ohne den Pumpenwirkungsgrad zu stark zu verringern. Die optimale Form hat einen etwa schraubenförmigen Umfang zwischen dem "cut water" und dem Auslass. Die Radialkraft kann auch durch das Einfügen einer inneren Teilung in die Volute 13 verringert werden, um einen zweiten Ausgangsströmungskollektordurchgang zu bilden, mit einer Zunge, die etwa diametral entgegengesetzt zu der Zunge des ersten Durchgangs angeordnet ist.
Eine Grundrissansicht der Position eines Laufrades 100, relativ zum Gehäuse 2 mit einer konzentrischen Volute 13, ist in 2 gezeigt.
17 zeigt die alternative Volutenanordnung mit einer geteilten Volute, die durch eine Volutenwand 107 gebildet ist, welche eine Volute 108 in einem ersten Halbraum des Gehäuses 2 bewirkt, um sich in eine erste Halbvolute 109 und eine zweite Halbvolute 110 über den zweiten Halbraum zu spalten. Die Halbräume sind auf jeder Seite eines Durchmessers des Gehäuses 2 definiert, welches durch den oder in der Nähe des Ausgangspunkts 111 des Auslasses 7 verläuft.
In alternativen Formen können konzentrische Voluten eingesetzt werden, insbesondere dort, wo die spezifische Geschwindigkeit relativ gering ist.
In einer weiteren besonderen Form kann ein schaufelloser Diffusor auch die Radialkraft verringern.
Im Zusammenhang mit der hydrodynamischen Massenaxialkraft, hat der Druck, der auf die Schaufeloberfläche (ohne die Lagerkanten) wirkt, keine axiale Komponente, wenn der Schaufelquerschnitt in der Axialrichtung entlang der Rotationsachse, abgesehen von der konischen Vorderkante, gleichmäßig ausgebildet ist. Dies vereinfacht auch die Herstellung der Schaufeln. Der Schaufelträgerkonus 9 muss dann so gestaltet sein, dass der axiale Schub auf das Laufrad minimiert ist, und eine Störung der Strömung über den Geschwindigkeitsbereich minimieren, während er eine ausreichende Festigkeit hat, um eine Schaufelrelativbewegung zu vermeiden. Der Schlüsselkonstruktionsparameter, welcher die Axialkraft betrifft, ist der Konuswinkel. Der Konus ist in 1 so gezeichnet, als habe er den selben inneren Durchmesser wie die Schaufeln, was bei der Herstellung helfen kann. Der Konus könnte jedoch mit größerem oder kleinerem inneren Durchmesser zu den Schaufeln gebildet werden. Es könnte von Vorteil sein, einen nicht-achsensymmetrischen Träger-"Konus" zu verwenden, z. B. mit einem Radius an der hinteren Oberfläche einer Schaufel, der größer ist, als der Radius an der vorderen Oberfläche der nächsten Schaufel. Wenn die Schaufeln mit nicht-gleichmäßigem Querschnitt geformt werden, um den hydrodynamischen Wirkungsgrad zu erhöhen, dann können sämtliche hydrodynamischen Massenaxialkräfte hierauf durch Formen des Trägerkonus' ausgeglichen werden, um eine entgegengesetzte hydrodynamische Massenaxialkraft hierauf zu erzeugen.
Eine sorgfältige Konstruktion der gesamten Pumpe, unter Verwendung von Fluiddynamikberechnungen ist erforderlich, um die optimalen Formen der Schaufeln 8, der Volute 13, des Trägerkonus' 9 und des Gehäuses 2 zu bestimmen, um den hydrodynamischen Wirkungsgrad zu maximieren, während die volumenreichen hydrodynamischen Fluidkräfte, Schub und Verweilzeiten niedrig gehalten werden. Sämtliche Kanten und die Verbindungen zwischen den Schaufeln und dem Trägerkonus sollten glatt gemacht werden.
Die Einrichtung zum Gewinnen des Antriebsdrehmoments auf das Laufrad 100 des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung besteht darin, Permanentmagnete 14 in den Schaufeln 8 des Laufrads 100 einzukapseln und diese mit einem rotierenden Magnetfeldmuster, in relativ zu dem Gehäuse 2 eingebetteten Windungen 15 und 16, oszillierender Ströme anzutreiben. Magnete mit hoher Remanenz, z. B. gesinterte Seltene Erden-Magnete sollten eingesetzt werden, um den Motorwirkungsgrad zu maximieren. Die Magnete sollten axial oder annähernd axial, mit wechselnder Polarität für benachbarte Schaufeln, ausgerichtet sein. Demnach muss eine gerade Zahl von Schaufeln vorliegen. Da eine niedrige Anzahl von Schaufeln für die Lagerkraft bevorzugt wird, und da zwei Schaufeln keine ausreichende Lagerfestigkeit für die Rotation um eine Achse durch die Schaufeln und senkrecht zu dem Pumpengehäuse (es sei denn, die Schaufeln sind sehr stark gekrümmt) haben, sind vier Schaufeln empfehlenswert. Mit einer höheren Anzahl von Schaufeln, beispielsweise sechs oder acht, funktioniert es auch.
Einige mögliche Optionen zur Anordnung der Magnete 14 innerhalb der Schaufeln 8 sind in 4 dargestellt. Die in 4A dargestellte, am ehesten bevorzugte Variante besteht darin, dass die Schaufel neben einer biokompatiblen Schale oder Beschichtung aus Magnetmaterial gebildet ist, um zu verhindern, dass das Fluid die Magnete korrodiert und um zu verhindern, dass magnetisches Material, welches toxisch sein kann, in die Blutbahn gelangt. Die Beschichtung sollte auch speziell an den Schaufelecken ausreichend verschleißfest sein, um einem Reiben während des Anlaufens oder während einer ungünstigen Lager-Berührung widerstehen zu können.
In einer besonderen Form sind die Innenwände des Pumpengehäuses 2 ebenfalls mit biologisch kompatiblem und verschleißfestem Material, wie beispielsweise einer Diamantbeschichtung oder einem Titannitrit beschichtet, damit der Verschleiß auf beiden Berührungsoberflächen minimiert ist.
Eine geeignete Beschichtungsdicke liegt bei etwa 1 Mikron.
Ein zweckmäßiges Verfahren zur Herstellung eines Laufrads ist das Formpressen des gesamten Laufrads, der Schaufeln und des Trägerkonus' als ein einzelner axial angeordneter Magnet. Das Formpressen wird stark vereinfacht, wenn nahezu axial gleichmäßige Schaufeln eingesetzt werden (Schaufeln mit einer Hinterschneidung, wie beispielsweise in 3C gezeigt, sind ausgeschlossen). Während des Pressens müssen die zerkleinerten Seltene Erden-Teilchen in einem axialen Magnetfeld orientiert werden. Dieses Verfahren zum Formpressen mit paralleler Ausrichtung ist billiger für Seltene Erden-Magnete, obwohl damit Magnete mit niedriger Remanenz auf einfache Weise erzeugt werden. Die Toleranz beim Formpressen ist nicht gut, und es ist ein Schleifen der sich verjüngenden Schaufelkanten erforderlich. Dann kann das magnetische Laufrad beispielsweise durch physikalische Dampfablage von beispielsweise Titannitrit oder durch chemische Dampfablage einer dünnen Diamantbeschichtung oder einer Teflonbeschichtung beschichtet werden.
In einer alternativen Form kann das Magnetmaterial in einem Titan- oder einem Polymergehäuse vergossen werden, welches dann mit einem biologisch kompatiblen und festen Material wie Diamantbeschichtung oder Titannitrit beschichtet wird.
Schließlich muss das Laufrad, um die alternierende Polarität der Schaufeln zu schaffen, in eine spezielle Pulsmagnetisierungsvorrichtung gebracht werden, wobei jede Schaufel eine individuelle Spule umgibt. Der Trägerkonus kann in der Nähe der Schaufeln eine gewisse Magnetisierung erfahren, was jedoch vernachlässigbaren Einfluss hat.
Alternative Magnetanordnungen sind in den 4B und 4C skizziert, bei denen viereckige oder Magnete 14 mit Kreisquerschnitt in den Schaufeln eingesetzt sind. Ein Abdichten und Glätten der Schaufelkanten über den Einsatzbohrungen ist dann erforderlich, um die Verjüngung wieder herzustellen.
Alle Kanten in der Pumpe sollten mit Radien und geglätteten Oberflächen versehen sein, um eine mögliche Beschädigung von geformten Elementen des Blutes zu vermeiden.
Die Windungen 15 und 16 des bevorzugten Ausführungsbeispiels sind schlitzfreie oder Luftspaltwindungen, welche der Krümmung der Schaufeln mit der gleichen Polzahl wie der des Laufrads, nämlich vier Pole im bevorzugten Ausführungsbeispiel folgen. Ein ferromagnetischer Eisenanker 17 in konischer Form für die vordere Windung und ein ferromagnetischer Eisenanker 18 in ringförmiger Gestalt für die hintere Windung können an der Außenseite der Windungen angebracht werden, um die magnetischen Strömungsdichten zu steigern und hierdurch den Motorwirkungsgrad zu erhöhen. Die Windungsdicken sollten für maximalen Motorwirkungsgrad konstruiert werden, wobei die Summe ihrer axialen Dicken etwas geringer, jedoch vergleichbar zu der Axiallänge des Magnets ist. Die Anker können aus massivem ferromagnetischem Material wie Eisen hergestellt sein. Um die "Eisenverluste" zu verringern, können die Anker 17 beispielsweise durch schraubenförmig sich windende dünne Streifen laminiert oder aus Eisen/Pulverepoxidverbundwerkstoffen hergestellt werden. Alternativ können sie schraubenförmig gewunden werden, um die Eisenverluste zu reduzieren. Die Anker sollten so positioniert werden, dass überhaupt keine axiale magnetische Kraft auf das Laufrad ausgeübt wird, wenn es zentral in dem Gehäuse angeordnet ist. Die Magnetkraft ist instabil und wächst linear mit der Axialverschiebung des Laufrads aus der zentralen Position, wobei der Gradient die positive Steifigkeit der Magnetkraft genannt wird. Diese instabile magnetische Kraft muss von den hydrodynamischen Lagern aufgefangen werden, und deshalb sollte die Steifigkeit so gering wie möglich gehalten werden. Wenn die Ankerdicke so ausgewählt wird, dass die magnetische Flussdichte am Sättigungswert liegt, wird die Steifigkeit reduziert und ergibt sich eine minimale Masse. Eine Alternative besteht darin, keine Eisenanker zu haben, und die instabile axiale Magnetkraft vollständig zu eliminieren, der Wirkungsgrad solcher Konstruktionen wäre jedoch geringer und die magnetische Flussdichte in der direkten Nachbarschaft der Pumpe könnte Sicherheitsstandards verletzen und eine gewisse Gewebeerwärmung erzeugen. In jedem Fall ist die Steifigkeit für schlitzfreie Windungen akzeptierbar klein, wenn die Anker vorliegen. Eine andere Alternative wäre, die Windungen in Schlitze in laminierten Eisenstatoren unterzubringen, was den Motorwirkungsgrad erhöhen und die Verwendung von weniger Magnetmaterial und potentiell leichteren Laufradschaufeln ermöglichen würde. Die instabilen Magnetkräfte wären jedoch für derart geschlitzte Motoren signifikant. Auch die Notwendigkeit dicker Schaufeln, um die erforderlichen Lagerkräfte zu erzeugen, erlaubt Raum für große Magnete, und so werden für das bevorzugte Ausführungsbeispiel schlitzlose Windung ausgewählt.
5 zeigt eine zweckmäßige Topologie für die Windung 15 der vorderen Seite. Die Rückwandwindung 16 sieht vom hinteren Ende des Motors ähnlich aus, mit der Ausnahme, dass die Bohrung in der Achse kleiner ist. Jede Windung hat drei Phasen, A, B, C, und zwei Spulen, welche pro Phase in Serie oder parallel verbunden sind. Jede Spule enthält eine Anzahl von Windungen eines isolierten Leiters, wie beispielsweise Kupfer, wobei die Zahl der Windungen ausgewählt wird, um die gewünschte Spannung zu bringen. Der Leiter muss möglicherweise mit Drähten versehen werden, um Wirbelstromverluste zu verringern. Die Windungskonstruktion kann dadurch vereinfacht werden, dass die Windungen um Stifte gelegt werden, welche aus einem zeitweise konischen Formgerät hervorstehen, wobei die Stifte in 5 als Punkte in zwei Ringen von je sechs Stiften gezeigt sind. Die Spulen sind alphabetisch in der Reihenfolge gekennzeichnet, in der sie gelegt werden, Spulen a und d für Phase A, b und e für Phase B und c und f für Phase C. Statt oder genauso gut wie die Stifte können die Positionen der Spulen durch dünne kurvenförmige Rippen definiert werden, welche in 5 zwischen den Siften entlang der Grenzen zwischen den Spulen verlaufen.
Die Windungsverbindung des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist für drei Drähte, einen Draht pro Phase, um einen sensorlosen, elektronischen Regler mit der Windung 15 zu verbinden, wobei drei Drähte zwischen den Windungen 15 und 16 verlaufen, und mit einem neutralen Schlusspunkt der Drähte in der Windung 16. Ein neutraler Leiter, N in 5, zwischen dem Regler und dem neutralen Punkt ist optional. Es kann ein standardmäßiger sensorfreier Regler verwendet werden, in dem zwei von sechs Halbleiterschaltern in einer Dreiphasenbrücke zu jedem Zeitpunkt eingeschaltet sind, wobei das Schalten mit der Laufradposition über den Rück-EMF im energielosen Zustand synchronisiert wird. Alternativ kann es aufgrund des relativ kleinen Raums des Laufradquerschnitts, welcher von Magnete besetzt ist, etwas wirkungsvoller sein, nur eine der drei Phasen gleichzeitig zu aktivieren, und die Spannung durch einen vierten Draht von dem neutralen Punkt der Windung 16 zurück zu dem Regler zu führen. Das Vorsehen des neutralen Leiters ermöglicht auch, dass in den Motor und den Regler Redundanz eingebaut wird, sodass, wenn eine der drei Phasen entweder im Motor oder im Regler ausfällt, dann die anderen zwei Phasen immer noch ein rotierendes magnetisches Feld schaffen können, welches ausreicht, um die Pumpe anzutreiben. Es muss besonders darauf geachtet werden, dass die Richtigkeit aller Leitungen und Verbindungen fehlersicher ist.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die beiden Gehäusekomponenten 3 und 4 aus nicht-leitenden Kunststoffmaterialien, wie z. B. Lexanpolykarbonatkunstoffen oder Keramiken spritzgegossen. Die Windungen und Anker werden während der Herstellung der Gussteile in dem Gehäuse eingekapselt. Auf diese Weise wird eine Trennung der Windungen und der Magnete minimiert, wodurch der Motorwirkungsgrad erhöht wird, und das Gehäuse ist dick, wodurch dessen mechanische Steifigkeit erhöht wird. Alternativ können die Windun gen außerhalb des Gehäuses positioniert werden, welches eine Dicke von wenigstens 2 mm für eine ausreichende Steifheit hat.
Wenn das Kunststoffmaterial des Gehäuses hygroskopisch ist oder wenn die Windungen außerhalb des Gehäuses liegen, kann es erforderlich sein, die Windungen und den Anker zuerst in einer sehr dünnen impermeablen Schale einzuschließen. Idealerweise sollte die Schale nicht-leitend (wie z. B. Keramik oder Kunststoff) sein, Titan von etwa 0,1 mm bis 0,2 mm Dicke würde jedoch ausreichend niedrige Wirbelstromverluste ergeben. Eine Einkapselung innerhalb einer derartigen Schale wäre nötig, um eine Bewegung der Windungen zu vermeiden.
Durch das Getrennt-Halten der Windungen für die Vorder- und die Rückseite können die Windungen in die vorderen und hinteren Gehäuseteile eingegossen werden. Alternativ für den Fall, dass die Windungen nicht in die Gehäuse eingegossen werden, können die Spulen auf das montierte Gehäuse gewunden werden, wobei die Spulen von der vorderen Seite über die Volute 13 zur hinteren Seite geführt werden.
Die Kombination der Motor- und Lagerkomponenten in dem Laufrad des bevorzugten Ausführungsbeispiels schafft verschiedene Schlüsselvorteile. Der Rotor hat folglich eine sehr einfache Form, mit dem einzigen Nachteil, dass das Lager geringe Herstellungstoleranzen hat. Die Rotormasse ist sehr gering, was die erforderliche Lagerkraft zur Gewichtskompensierung minimiert. Die Lagerkräfte sind geringer, als sie sein müssten, um ein Drehmoment auf die Trägermagnete an einem Ende des Rotors zu schaffen, wenn die Lager und der Motor im selben Bereich des Rotors liegen.
Ein Nachteil der Kombination der Funktionen des Laufrads besteht darin, dass seine Konstruktion ein kombiniertes Problem ist. Die Optimierung sollte idealerweise die Fluiddynamik-, die magnetischen und Lagerschubberechnungen verbinden. Tatsächlich kann die Schaufeldicke zuerst grob dimensioniert werden, um einen günstigen Motorwirkungsgrad und ausreichende Lagerkräfte innerhalb eines Sicherheitsrahmens zu schaffen. Zufälligerweise werden beide Erfordernisse für vier Schaufeln mit einer ungefähren Durchschnittsumfangsdicke von 5 mm getroffen. Die Formen des Gehäuses, der Schaufeln und des Trägerkonus' können dann unter Verwendung von Fluiddynamikberechnungen konstruiert werden, wobei die oben genannte minimale Durchschnittsschaufeldicke beibehalten wird. Schließlich können der Motorstator, d. h. Windungen und Anker, für einen maximalen Motorwirkungsgrad optimiert werden.
6 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung als Axialpumpe. Das Pumpengehäuse ist aus zwei Teilen hergestellt, einem vorderen Teil 19 und einem hinteren Teil 20, welche beispielsweise an der Stelle 21 miteinander verbunden sind. Die Pumpe hat einen axialen Einlass 22 und einen axialen Auslass 23. Das Laufrad hat nur Schaufeln 24, welche auf einem Trägerzylinder 25 mit an jedem Ende reduziertem Radius befestigt sind. Ein wichtiges Merkmal dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Schaufelkanten verjüngt sind, um hydrodynamische Schubkräfte zu erzeugen, welche das Laufrad aufhängen. Diese Kräfte können für eine radiale Aufhängung allein von dem gestreckten Abschnitt 26 des Gehäuses verwendet werden, wobei einige alternative Einrichtungen für eine axiale Aufhängung verwendet werden können, beispielsweise stabile axiale Magnetkräfte oder ein konventionelles hydrodynamisches Schublager mit verjüngtem Ausgang, verwendet werden. 6 zeigt eine Konstruktion, welche verjüngte Schaufelkanten verwendet, um ebenfalls ein axiales hydrodynamisches Lager zu bilden. Das Gehäuse ist an seinen Enden mit einem sich verringernden Radius versehen, um eine Vorderwand 27 und eine Rückwand 28 zu bilden, von der die Axialkräfte den Motor axial aufhängen können. In den Schaufeln sind Magnete eingebettet, wobei die Schaufeln alternierende Polarität haben und vier Schaufeln empfohlen werden. In dem äußeren Radius des Trägerzylinders 25 kann Eisen verwendet werden, um die magnetische Flussdichte zu erhöhen. Alternativ könnten die Magnete in dem Trägerzylinder angeordnet werden, und Eisen könnte in den Schaufeln verwendet werden. Eine schlitzfreie Schraubenwindung 29 empfiehlt sich, mit sich nach außen biegenden Endwindungen 30 an einem Ende, um das Einsetzen des Laufrads zu ermöglichen und mit sich nach innen biegenden Windungen 31 am anderen Ende, um das Einsetzen der Windung in einen zylindrischen Magnetanker 32 zu ermöglichen. Die Windung kann im hinteren Gehäuseteil 20 gekapselt sein.
Drittes Ausführungsbeispiel
7 bis 15 zeigen ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Pumpenanordnung 200.
Insbesondere 7 zeigt die Pumpenanordnung 200 mit einem Gehäusekörper 201, der für eine Schraubverbindung mit einem Gehäusedeckel 202 geeignet ist, um darin eine Kavität 203 für eine Zentrifugalpumpe zu definieren.
Die Kavität 203 enthält ein Laufrad 204, geeignet zur Aufnahme von Magnete 205 in Ausnehmungen 206, welche innerhalb von Schaufeln 207 definiert sind. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel werden die Schaufeln von einem Trägerkonus 208 getragen.
Außerhalb der Kavität 203, jedoch als Teil der Pumpenanordnung 200, ist eine Körperwindung 209 angeordnet, welche symmetrisch um den Einlass 210 montiert und zwischen dem Gehäusekörper 201 und einem Gehäuseanker 211 gehalten ist.
Ebenfalls Teil der Pumpenanordnung 200 und ebenfalls außerhalb der Pumpenkavität 203 angeordnet, ist eine Deckelwindung 212, welche in einer Ausnehmung 213 für die Windung angeordnet ist, welche wiederum im Gehäusedeckel 202 angeordnet und von einem Gehäuseanker 212 abgeschlossen ist.
Die Windungen 212 und 209 werden von dem elektronischen Regler gemäß 12 gespeist. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel sind die Windungen so angeordnet, dass sie eine elektrische Drei-Phasen-Versorgung erhalten und um ein elektrisches Drehfeld innerhalb der Kavität 203 zu bilden, welches ein Drehmoment auf die Magnete 205 in dem Laufrad ausübt, um das Laufrad 204 zu veranlassen, im Wesentlichen um eine Zentralachse TT der Kavität 203 und in Flucht mit der Längsachse des Einlasses 210 zu rotieren. Das Laufrad 204 wird veranlasst zu rotieren, um Fluid (in diesem Fall Blutflüssigkeit) um eine Volute 215 und durch den Auslass 216 zu drängen.
Die Anordnung ist, wie durch Schrauben 217 angedeutet ist, zusammengeschraubt. Die Anker 211, 214 werden durch Befestigungsmittel 218 an Ort und Stelle gehalten. Alternativ ist unter der Voraussetzung, dass eine ausreichende Unversehrtheit der Dichtung aufrechterhalten werden kann, eine Presspassung möglich.
8 zeigt das Laufrad 204 dieses Ausführungsbeispiels und zeigt den Trägerkonus 208, von dem aus sich Schaufeln 207 erstrecken. Die axiale Kavität 219, welche so angeordnet ist, dass sie im Betrieb mit der Längsachse des Einlasses 210 fluchtet und durch welche Blut aufgenommen wird, um es durch die Schaufeln 207 zu fördern, ist klar erkennbar.
Die weggeschnitten dargestellte Ansicht von 9 zeigt die axiale Kavität 219 und auch die Magnetkavitäten 206, welche innerhalb jeder Schaufel 207 angeordnet sind. Die bevorzugte Konusstruktur 220, welche sich vom Gehäusedeckel 202, in Flucht mit der Achse des Einlasses 210 und der axialen Kavität 219 des Laufrads 214 erstreckt, ist ebenfalls dargestellt.
10 zeigt eine Seitenschnittansicht des Laufrads 204, welches die Orientierungen der Zentralachse FF, der oberen Verjüngungskante DD und der unteren Verjüngungskante BB zeigt, wobei die Verjüngungen in 11 in Seitenschnittansicht gezeigt sind.
11A ist eine Schnittansicht einer Schaufel 207 des Laufrads 204 durch die Ebene DD, die in 10 definiert ist, und zeigt die obere Kante 221, welche von einer Vorderkante 223 bis zu einer Hinterkante 224 wie folgt profiliert sein muss: Ein Zentralabschnitt 227 hat eine Ellipse mit einem größeren Halbachsenradius von 113 mm und einen kleineren Halbachsenradius von 80 mm, welche auf jeder Seite von einem Bereich ohne Radius fortgesetzt wird und dann durch eine konische Vorderfläche 225 und die konische Hinterfläche 226 auf jeder ihrer Seiten, wie in 11A gezeigt ist, fortgesetzt wird.
Die Vorderkante 223 ist, wie gezeigt, mit einem Radius versehen.
11B zeigt eine Querschnittsansicht der Unterkante 222 der Schaufel 207, geschnitten entlang der Ebene BB nach 10.
Die Unterkante enthält einen Deckel 228, um den Magnete 205 innerhalb der Kavität 206 abzudichten.
In diesem Fall weist die gesamte Kante im Wesentlichen eine gerade gerichtete Verjüngung mit einem Radius von 0,05 mm an der Vorderkante 229 und einem Radius von 0,25 mm an der Hinterkante 230 auf.
Die Schaufel 207 ist, abgesehen von den Radien an den jeweiligen Enden, 5,4 mm breit.
12 zeigt ein Blockdiagramm des elektrischen Reglers, der zum Antrieb der Pumpenanordnung 200 geeignet ist und eine Drei-Phasen-Berechnungs-Regelungseinrichtung 232 aufweist, die geeignet ist, die Windungen 209, 212 der Pumpenanordnung anzutreiben. Der Wandlungsregler 232 legt relative Phasen- und Frequenzwerte zum Antreiben der Windungen unter Bezug auf die eingestellte Punktgeschwindigkeit am Eingang 233 fest, welche vom physiologischen Regler 234 erhalten wird, welcher wiederum Steuersignale 235 empfängt, die Motorspannungseingang und Motorgeschwindigkeit (erhalten vom Umschaltregler 232), Patientenblutströmung 236 und venöse Sauerstoffsättigung 237 enthalten.
13 zeigt eine Kurvenschar Druck vs Strömung für die Pumpenanordnung 200, wobei das gepumpte Fluid für eine Laufradgeschwindigkeit über den Bereich von 1.500 bis 2.500 Umdrehungen pro Minute 18% Glycerol ist. Man nimmt an, dass die 18% Glycerol-Flüssigkeit unter bestimmten Umständen ein gutes Analogon für Blut ist.
14 zeigt den Pumpenwirkungsgrad gegenüber der Strömung für das gleiche Fluid über die gleichen Geschwindigkeitsbereiche wie bei 13.
15 zeigt eine Kurve des elektrischen Energieverbrauchs über der Strömung über die gleichen Geschwindigkeitsbereiche wie beim Beispiel nach 13, für das gleiche Fluid.
Weitere Ausführungsbeispiele
Der rote Faden, der sich durch die erste, zweite und dritte bisher beschriebene Ausführungsform erstreckt, ist der Einschluss des Laufrads in eine verjüngte oder anderweitig verformte Oberfläche, welches sich im Betrieb relativ zu der benachbarten Gehäusewand bewegt, wodurch eine Beschränkung im Bezug auf die Bewegungslinie der Verjüngung oder der Verformung verursacht wird, um hierdurch einen Schub auf das Laufrad zu erzeugen, welcher eine im Wesentlichen normal zur Bewegungslinie der Oberfläche und auch normal zu der benachbarten inneren Pumpenwand verlaufende Komponente enthält, für welche die Einschränkung für dazwischen befindliches Blut definiert ist.
Um eine radiale und eine axiale Richtungsregelung zu schaffen, muss wenigstens ein Satz von Oberflächen in Bezug auf die Längsachse des Laufrads (vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 45° hierzu) angewinkelt sein, um hierdurch entgegengerichtete Radialkräfte und eine Axialkraft zu erzeugen oder zu zerlegen, welche durch eine korrespondierende Axialkraft, welche durch wenigstens eine andere verjüngte oder deformierte Oberfläche, welche irgendwo an dem Laufrad angeordnet ist, ausgeglichen wird.
In den Formen, die bisher beschrieben wurden, sind die oberen Oberflächen der Schaufeln 8, 207 etwa an der Stelle 450 in Bezug auf die Längsachse des Laufrads 100, 204 angewinkelt und für eine Drehung bezüglich der inneren Wände eines in ähnlicher Weise angewinkelten konischen Pumpengehäuses angewinkelt. Die oberen Oberflächen sind ver formt, um die erforderliche Einschränkung im Zwischenraum zwischen den oberen Oberflächen der Schaufeln und der inneren Wände des konischen Pumpengehäuses zu erzeugen, wodurch ein Schub erzeugt wird, welcher in radiale und axiale Komponenten zerlegt werden kann.
In den bisher beschriebenen Beispielen haben die unteren Oberflächen der Schaufeln 8, 207 Oberflächen, welche im Wesentlichen in einer Ebene unter rechten Winkeln zur Drehachse des Laufrads liegen, wobei deren Verformungen einen Zwischenraum in Bezug auf eine untere Innenfläche des Pumpengehäuses, gegen welche ein im Wesentlichen nur axial wirkender Schub erzeugt wird, definieren.
Andere Anordnungen sind möglich, welche ebenfalls auf Basis dieser Prinzipien die erforderlichen ausbalancierten Radial- und Axialkräfte schaffen. Derartige Arrangements können eine Doppelkonusanordnung enthalten, bei der die konische obere Oberfläche der Schaufeln in einer korrespondierenden konischen Bodenfläche gespiegelt ist. Das einzige Problem bei dieser Anordnung ist die erhöhte Pumpentiefe, welche dort für in-vivo-Anwendungen ein Problem sein kann, wo Größenminimierung ein wichtiges Kriterium ist.
18 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Grundrissansicht des Laufrads 300, welches eine "Kanal"-Pumpe bildet. In diesem Ausführungsbeispiel wurden die Schaufeln 301 gegenüber den Schaufeln 207 des dritten Ausführungsbeispiels derart verbreitert, dass sie fast sektorförmig aussehen, und die Strömungszwischenräume zwischen benachbarten Schaufeln 301 nehmen im Ergebnis die Form eines Kanals 302 an, wobei alle Bereiche mit der Axialkavität 303 kommunizieren.
Eine weitere Modifikation dieser Anordnung ist in 19 dargestellt, bei der das Laufrad 304 sektorenförmige Schaufeln 305 hat, welche kurvenförmige Vorder- und Hinterabschnitte 306, 307 haben, wodurch Kanäle 308, welche mit Ausgangsabschnitten 309 geflutet sind, definiert werden.
Wie bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel werden die hydrodynamischen Radial- und Axialkräfte durch geeignetes Profilieren der oberen und unteren Flächen der Schaufeln 301, 305 (in den 18 und 19 nicht gezeigt) erzeugt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pumpenanordnung gemäß der Erfindung hat ein Laufrad 310, wie in 20 gezeigt ist, wobei dem Konzept nach die oberen und unteren Flächen der Schaufeln der zuvor genannten Ausführungsbeispiele durch eine obere Ummantelung 311 und eine untere Ummantelung 312 miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform können die Schaufeln 313 auf eine sehr kleine Breite reduziert werden, da das hydrodynamische Verhalten, welches durch ihre Oberflächen in zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgeübt wird, nun durch die Profilierung der Ummantelungen 311, 312 bewirkt wird, welche in diesem Fall eine Reihe von mit glatten Kanten versehener Ränder haben, wobei die Führungsfläche der einen Kante direkt mit der Hinterkante der nächsten Führungskante 314 verbunden ist.
Wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen hat die obere Mantelfläche 311 eine vollständig konische Form, wodurch Radial- und Axialschubkräfte ausgeübt werden, während die untere Mantelfläche 312 im Wesentlichen eben ausgebildet ist, wodurch im Wesentlichen nur Axialschubkräfte erteilt werden.
Das zuvor Gesagte beschreibt die Prinzipien der vorliegenden Erfindung, und Modifikationen hiervon, welche für den Fachmann naheliegen, können hierzu ausgeführt werden, ohne sich vom Schutzumfang der Erfindung, wie beansprucht, zu entfernen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Pumpenanordnung 1, 200 ist für Pumpenfluide wie z. B. Blut kontinuierlich verwendbar. Mit seiner erwarteten Zuverlässigkeit ist sie insbesondere als in-vivo-Herzunterstützungspumpe einsetzbar.
Die Pumpenanordnung kann auch vorteilhafterweise für das Pumpen anderer Fluide eingesetzt werden, dort, wo eine Beschädigung des Fluids aufgrund hoher Scherbeanspruchungen oder dort, wo eine Leckage des Fluids mit sehr hoher Zuverlässigkeit verhindert werden müssen, beispielsweise in dem Fall, indem das Fluid ein gefährliches Fluid ist.

Claims

Dichtungslose und wellenlose Pumpe (1; 200), mit einem Gehäuse (2; 201), das in ihm eine Kammer begrenzt und einen Fluideinlass (6; 22; 210) in die genannte Kammer und einen Fluidauslass (7; 23; 216) aus der genannten Kammer aufweist, wobei genannte Pumpe ferner ein Laufrad (100; 204; 300; 310) beinhaltet, das innerhalb der genannte Kammer angeordnet ist, wobei die Anordnung zwischen dem genannten Laufrad, dem genannten Einlass, dem genannten Auslass und den Innenwänden der genannten Kammer so ist, dass bei Drehung des genannten Laufrades um eine Laufradachse relativ zu dem genannten Gehäuse Fluid von dem genannten Einlass durch die genannte Kammer hindurch zu dem genannten Auslass gedrängt wird, worin bei Drehung des genannten Laufrades (100; 204; 300; 310) um die Laufradachse relativ zu dem genannten Gehäuse (2; 201) das genannte Laufrad hydrodynamisch innerhalb des genannten Gehäuses in zumindest radialer Richtung durch Schubkräfte gelagert ist, die als Folge der Wechselwirkung zwischen Rändern (101, 102, 103; 221, 223, 224) von Schaufeln (8; 24; 207) des genannten, rotierenden Laufrades, den genannten Innenwänden der genannten Kammer und dem Fluid erzeugt werden, das von dem genannten Einlass zu dem genannten Auslass durch das Laufrad gedrängt wird, so dass ein Spielraum zwischen dem genannten Laufrad und den genannten Innenwänden der genannten Kammer aufrecht erhalten wird, wobei die genannten Ränder der genannten Schaufeln so geformt sind, dass der Spalt an dem vorderen Rand (102; 223) der genannten Schaufeln größer ist als am hinteren Rand (103; 224) und somit das Fluid, welches durch den Spalt hindurch gesogen wird, eine keilförmige Einengung erfährt, die eine Schubkraft erzeugt.
Pumpe (1; 200) nach Anspruch 1, worin die Pumpe eine Zentrifugalpumpe oder eine Axialradial-Pumpe ist, mit Schaufeln (8) des genannten Laufrades, die sowohl an der Vorder- als auch der Rückseite (10, 11) des Pumpengehäuses (2) offen sind.
Pumpe (1; 200) nach Anspruch 2, worin eine Vorderseite (10) des Pumpengehäuses (2) kegelförmig ausgebildet ist, damit die zu der Kegelfläche senkrechte Schubkraft eine radiale Komponente hat, welche eine radiale Rückstellkraft für eine radiale Verschiebung der Laufradachse während der Benutzung liefert.
Pumpe (1; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin Antriebsdrehmoment für das genannte Laufrad (100) aus der magnetischen Wechselwirkung zwischen Permanentmagneten (14) innerhalb der Schaufeln (8) des Laufrades (100) und oszillierenden Strömen in Windungen (15, 16) gewonnen wird, die in dem Pumpengehäuse (2) eingebettet sind.
Pumpe (1; 200) nach Anspruch 1, worin die genannte Pumpe vom Axialtyp ist.
Pumpe (1; 200) nach Anspruch 5, worin innerhalb eines gleichförmigen, zylindrischen Abschnittes des Pumpengehäuses (2) das genannte Laufrad (100) sich verjüngende Schaufelränder beinhaltet, die ein hydrodynamisches Radiallager bilden.
Pumpe (1; 200) nach Anspruch 5 oder 6, worin ein Innenraum des Pumpengehäuses (2) mit sich verringerndem Radius an den zwei Enden gestaltet ist und worin die hydrodynamischen Endschubkräfte eine axiale Komponente aufweisen, die das Axiallager zur Verfügung stellen kann.
Pumpe (1; 200) nach Anspruch 5 oder 6, worin magnetische Kräfte das Axiallager zur Verfügung stellen.
Pumpe (1; 200) nach Anspruch 1, worin die genannten Laufradblätter (8) aus magnetischem Material gefertigt sind, wobei das magnetische Material innerhalb einer biokompatiblen Schale oder Beschichtung eingebettet ist.
Pumpe (1; 200) nach Anspruch 9, worin die genannte biokompatible Schale oder Beschichtung ein Material aufweist, das bei niedriger Temperatur aufgebracht werden kann.
Pumpe (1; 200) nach Anspruch 10, worin die genannte biokompatible Schale oder Beschichtung eine Diamantbeschichtung ist.
Pumpe (1; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin Innenwände des genannten Pumpengehäuses (2), die mit dem genannten Laufrad während der Benutzung in Berührung kommen können, mit einem harten Material beschichtet sind.
Pumpe (1; 200) nach Anspruch 12, worin die genannten Innenwände des genannten Pumpengehäuses (2) mit Titaniumnitrid oder einer Diamantschicht beschichtet sind.
Pumpe (1; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, worin zumindest obere und untere Oberflächen der Schaufeln (8) des genannten Laufrades (100) durch eine ebene Fläche verbunden sind, die Verformungen in ihren äußeren Oberflächen aufweist, so dass ein Schub zwischen den genannten Oberflächen und dem benachbarten Pumpengehäuse während einer zwischen ihnen erfolgenden Relativbewegung erzeugt wird.